KR101545846B1 - 수소지연파괴 저항성이 우수한 고강도 피씨 강연선 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고강도이면서도 수소지연파괴 특성이 우수한 건축용 피씨 강연선 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 피씨 강연선은, wt%로 C 0.9 ∼ 1.2%, Mn 0.4 ∼ 0.7%, Si 0.4 ∼ 0.7%, P 0.01% 이하, S 0.01% 이하, Zr 0.005 ∼ 0.5%, W 0.005 ∼ 0.5%, Mg 0.005 ∼ 0.5%, 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어진 선재를 신선하고, 그 신선선 7가닥을 하나의 심선 주위에 6가닥의 외층선이 꼬이도록 연선하여 이루어진 강연선으로서, 신선 중에 고주파 열처리에 의해 100 ∼ 500nm 크기의 Zr, W, Mg계 석출물이 신선선 전체에 분포되고, 연선 중의 고주파 처리에 의해 강선의 표면으로부터 50㎛ 깊이까지 구상화 시멘타이트가 형성된다.

Description

수소지연파괴 저항성이 우수한 고강도 피씨 강연선 및 그 제조방법 {PRE- STRESSED CONCRETE STEEL STRAND WITH SUPERIOR RESISTANCE AGAINST HYDROGEN DELAYED FRACTURE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 건축 및 토목용으로 주로 사용되는 피씨(Pre-stressed Concrete) 강연선에 관한 것으로, 특히 강선의 신선 공정 중에 고주파 열처리를 통해서 미세한 석출물을 분포시키고, 석출물이 분포된 신선선을 이용한 연선 공정 중에 고주파 열처리를 행하여 극표면부에 구상화 세멘타이트가 형성되도록 하여 고강도이면서도 수소지연파괴 저항성이 우수한 피씨 강연선 및 그 제조방법에 관한 것이다.

피씨(PC ; Pre-stressed Concrete)란 강선이나 강연선에 인장 응력을 부여한 상태에서 시멘트 혼합물을 붓고 양생시켜 제조된 콘크리트로서, 근래에 이르러 토목이나 건축 구조물에의 사용량이 급속하게 증가하고 있는 추세에 있다.

피씨는 콘크리트가 압축 응력에는 잘 견디나 인장 응력에는 약하므로, 인장 응력을 보완하여 상쇄할 수 있도록 미리 압축 응력을 가하여 제작된 콘크리트로서, 이와 같은 피씨는 제작 과정에서 부여된 인장력을 해소하기 위한 강선 혹은 강연선의 수축작용에 의해 유도된 압축 응력을 받게 된다.

따라서, 피씨는 콘크리트의 내외압에 의해 발생되는 인장 응력을 강연선에 의한 압축응력에 의해 상쇄시키기 때문에, 피씨 강연선은 매우 큰 압력에도 충분히 견딜 수 있도록 내구연한에 걸쳐 일정한 압축 응력을 부여할 수 있어야 하는 품질특성이 요구되고 있다.

그러나 인장 응력이 부여된 강연선과 함께 피씨를 구성하는 시멘트에는 혼화제의 일종인 에이이(AE) 감수제가 함유되어 있기 때문에 시멘트 내부에는 1000 ∼ 3000ppm의 티오시안산 이온(SCN-)이 함유되며, 이 티오시안산 이온이 응력하에서 강선의 수소취성 및 응력부식균열을 야기시킴으로써, 강선의 조기 파괴를 초래하여 결국 피씨 강연선의 수명을 단축시키는 문제가 있다.

그럼에도 불구하고 최근의 피씨 강연선은 더욱 더 고압화, 경량화 및 장수명화가 요구되고 있어 피씨 강연선의 수소취성 및 응력부식균열과 같은 지연파괴에 대한 저항성 향상은 매우 중요한 해결과제로 되고 있다.

피씨용 강연선의 응력부식균열 및 수소취성에 대한 민감도를 낮추기 위한 종래 방법으로, 특허 제10-0328281호에서는 강선 또는 강연선의 표면에 정전 분체도장 방식으로 합성수지 분말을 도장하고, 표면에 전착된 분말상의 합성수지를 용융,경화시켜 밀착성과 내식성이 우수한 고방식 합성수지 피막층을 형성시키는 기술이 개시되고 있다.

그러나, 상기 방법에 의해 형성된 합성수지층 피막층은 외부 충격에 의해 쉽게 손상 또는 파괴될 가능성이 높고, 그 피막의 두께가 50㎛ 이하인 경우에는 실질적인 방청효과를 기대할 수 없을 뿐만 아니라 별도의 정전분체 도장 설비에서의 도장공정 수행에 따른 생산공정의 복잡화가 초래되는 등의 문제점이 있다.

그리고, 특허 제10-0549440호에는 강선의 표면에 쇼트 블라스트를 실시하여 강선 표면에 압축 잔류응력을 부여함으로써 응력부식균열에 대한 저항성 향상을 도모한 기술이 알려져 있다. 그러나, 상기 쇼트 블라스트 방식을 통해 얻어진 강선은 그 이전의 피씨 강선에 비해 향상된 지연파괴 특성을 나타내고 있긴 하나, 최근의 피씨용 강연선에서 요구되고 있는 한층 향상된 고압화, 경량화 및 장수명화에는 부합되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기 종래 피씨 강연선에서 지적되고 있는 단점과 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 신선 공정 중의 고주파 열처리를 통한 미세 석출물의 분포 및 연선 공정에서의 강선 극표면부 세멘타이트 구상화를 통해서 고강도이면서도 수소지연파괴 저항성이 우수한 고강도 피씨 강연선을 제공하는데 본 발명의 목적을 두고 있다.

그리고, 본 발명의 다른 목적은, 신선 중간단계에서 고주파 가열을 통해서 용체화 처리된 신선선 전체에 Zr, W, Mg 성분이 석출되도록 소둔 열처리를 행하고, 상기 석출물이 분포된 신선선을 이용하여 1개의 중심선 주위로 6개의 외층선을 꼬는 연선 공정 중에 고주파 열처리를 행하여 강선의 극표면부에 구상화 시멘타이트가 형성되도록 하는 공정으로 이루어진 수소지연파괴 저항성이 우수한 피씨 강연선의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 상기 목적은, 중량퍼센트(wt%)로 C 0.9 ∼ 1.2%, Mn 0.4 ∼ 0.7%, Si 1.0 ∼ 1,5%, Cr 0.4 ∼ 0.7%, P 0.01% 이하, S 0.01% 이하, Zr 0.005 ∼ 0.5%, W 0.005 ∼ 0.5%, Mg 0.005 ∼ 0.5%, 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어진 선재를 신선하고, 그 신선선 7가닥을 하나의 심선 주위에 6가닥의 외층선이 꼬이도록 연선하여 이루어진 강연선으로서, 신선 중에 고주파 열처리에 의해 100 ∼ 500nm 크기의 Zr, W, Mg계 석출물이 신선선 전체에 분포되고, 연선 중의 고주파 처리에 의해 강선의 표면으로부터 50㎛ 깊이까지 구상화 시멘타이트가 형성된 수소지연파괴 저항성이 우수한 피씨 강연선에 의해서 달성된다.

상기 본 발명의 피씨 강연선은 절단하중이 333kN 이상이고, FIP(Federation International de la Preconstrainte) 시험에서 파단에 이르는 중앙값이 10시간 이상을 나타낸다.

본 발명의 수소지연파괴 저항성이 우수한 피씨 강연선 제조방법은, wt%로 C 0.9 ∼ 1.2%, Mn 0.4 ∼ 0.7%, Si 1.0 ∼ 1,5%, Cr 0.4 ∼ 0.7%, P 0.01% 이하, S 0.01% 이하, Zr 0.005 ∼ 0.5%, W 0.005 ∼ 0.5%, Mg 0.005 ∼ 0.5%, 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어진 선재를 용체화 처리하는 단계와, 상기 용체화 처리된 선재에 대한 냉간 신선의 중간에 고주파를 이용하여 900 ∼ 1000℃의 온도로 2 ∼ 3초간 가열하여 용체화 처리된 Zr, W, Mg 성분이 신선선 전체에 100 ∼ 500nm 크기로 석출되도록 소둔을 실시한 후 나머지 신선 공정을 완료하는 단계; 상기의 소둔 및 신선 공정을 거쳐 얻어진 신선선 7가닥을 하나의 심선 주위에 6가닥의 외층선이 꼬이도록 연선하는 공정 중에 400 ∼ 500℃의 온도로 고주파 처리하여 강선의 표면으로부터 50㎛ 깊이까지 구상화 시멘타이트가 형성되도록 하는 단계를 포함하여 이루어진다.

도1은 본 발명에 따른 피씨 강연선의 구조를 보인 단면도로서, 도시된 바와 같이 강연선(1)은 한 가닥의 심선(2a) 주위로 6 가닥의 외층선(2b)이 꼬인 1x6 구조로 이루어져 있다. 도2는 도1의 강연선을 이루고 있는 강선(2)을 확대하여 도시한 것으로, 강선의 표면으로부터 50㎛ 깊이(d)까지의 극표면부에는 구상화 세멘타이트(3)가 존재하고, 강선(2)의 전길이에 걸친 단면 영역에는 Zr, W 및 Mg계 석출물(4)이 고르게 분포하고 있다.

본 발명의 수소지연파괴 저항성이 우수한 피씨 강연선 제조방법에서는, wt%로 C 0.9 ∼ 1.2%, Mn 0.4 ∼ 0.7%, Si 1.0 ∼ 1,5%, Cr 0.4 ∼ 0.7%, P 0.01% 이하, S 0.01% 이하, Zr 0.005 ∼ 0.5%, W 0.005 ∼ 0.5%, Mg 0.005 ∼ 0.5%, 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어진 선재 로드를 용체화 처리한 후 항온변태 열처리를 하고 냉간 신선을 실시한다. 도3은 이와 같은 냉간 신선 단계를 모식적으로 보여주고 있다.

도3에 도시된 바와 같이, 용체화 처리된 선재가 권취된 공급대(5)로부터 공급되는 되는 선재(W)는 다단 신선기(6a)(6b)를 거쳐 단계적인 신선이 이루어진 후에 최종적으로 권취대(8)에 감기게 된다. 이때, 상기 신선기들(6a)(6b) 사이의 신선선 선재(W) 이동 경로 상에 설치된 고주파 열처리 장치(7)를 거치면서 신선 공정의 중간에 고주파 열처리가 행해지게 된다.

상기 신선 단계에서의 고주파 열처리 장치(7)에 의한 소둔 열처리는 900 ∼ 1000℃의 온도로 2 ∼ 3초간 수행되어 신선 선재(W)의 전 길이에 걸친 단면 영역에 Zr, W, Mg 성분이 100 ∼ 500nm의 크기로 석출된다.

본 발명에서 신선 공정의 중간에 고주파 열처리를 통한 석출물을 형성시키는 이유는 아래와 같다.

먼저, 용체화 처리된 Zr, W, Mg 성분을 석출시키기 위해서는 신선선 내부의 에너지 상태가 높아야 하는데, 항온변태 처리된 선재는 내부 에너지가 낮은 상태이기 때문에 냉간 신선 공정의 수행 전에 소둔을 통한 석출물의 형성을 유도하는 경우, 짧은 시간에 석출물을 형성시킬 수가 없다.

그리고, 냉간 신선이 완료된 이후에 900 ∼ 1000℃의 높은 온도로 소둔을 실시하게 되면 연화에 의해 신선선의 강도가 낮아지게 되어 필요로 하는 강도를 얻을 수 가 없다.

이에 따라, 신선기(6a)에 의한 1차 신선을 통해서 에너지 상태가 높아지고 2차 신선 전의 상태에 있는 신선 중간 단계에서 고주파 열처리 장치(7)를 통한 900 ∼ 1000℃의 가열과 2∼3초라는 짧은 시간의 소둔으로 선재 내부에서의 미세 석출물의 형성이 이루어지도록 한다.

이와 같이, 고주파 열처리를 거치면서 연화된 선재는 후속되는 2차 냉간 신선기(6b)에 의하 신선을 거치면서 강도의 증가가 이루어진 상태로 최종 신선되어 권취대(8)에서 권취가 이루어지게 된다.

상기 신선 공정 중의 고주파 열처리 온도는 900 ∼ 1000℃ 범위가 바람직한바, 그 열처리 온도가 900℃ 미만으로 되면 Zr, W, Mg계 석출물이 형성되지 않아 지연파괴 특성의 향상을 기대할 수 없게 되며, 반대로 1000℃를 초과하게 되면 석출물의 크기가 600nm 이상으로 커져서 수소를 분산시키는 역할이 약화된다.

한편, 피씨 강연선의 표면에서 발생한 수소가 금속 내부로 침투하여 취성을 일으키게 되는 메커니즘은, 수소가 특정 부분에 응집하여 해당 영역에 국부적인 응력 초과를 일으키기 때문인 것으로 알려지고 있다.

그런데, 피씨 강연선을 이루고 있는 강선의 내부에 Zr, W, Mg계 석출물이 신선선의 전체에 걸쳐 미세하고 고르게 분산되는 경우에는, 내부로 침투된 수소의 이동이 이들 미세하게 분산된 석출물에 의해 저지되어 수소가 한 곳에 응집되지 못하도록 하는 역할을 하게 된다.

이와 같이 강선의 내부로 침투된 수소의 응집을 저지하기에 적합한 석출물의 바람직한 크기는 100 ∼ 500nm인바, 100nm 미만의 석출물 크기에서는 석출물 자체의 크기가 너무 적어서 내부로 침투된 수소의 이동을 저지하는 역할을 제대로 할 수 없으며, 500nm를 초과하게 되면 석출물의 분포가 작아져서 수소를 트랩할 수 있는 위치가 줄어들어 수소의 응집 저지 효과가 저하된다.

본 발명에서와 같이, Zr, W, Mg계 석출물의 크기가 100 ∼ 500nm 범위 이내에 있게 되면 강선 내부에 석출물이 미세하고 고르게 분포하게 되어 수소의 응집을 효과적으로 저지하는 한편 FIP에 의한 파단시간 중앙값이 10시간 이상을 나타내게 된다.

본 발명에서는 상기와 같이 신선 중간 단계에서 고주파 열처리를 통해 미세한 석출물이 형성된 신선선을 7가닥을 연선 공정을 통해서 1x6 구조의 피씨 강연선을 얻게 되는바, 이때 연선 공정 중에 400 ∼ 500℃의 온도로 고주파 처리하여 강선의 표면으로부터 50㎛ 깊이까지 구상화 시멘타이트가 형성되도록 함을 또 하나의 기술적 특징으로 하고 있다.

먼저, 상기의 연선 공정 중 행해지는 고주파 열처리시의 온도는 400 ∼ 500℃가 바람직한바, 400℃ 미만으로 되는 때에는 세멘타이트의 구상화가 일어나지 않아서 추가적인 지연파괴 특성의 향상을 기대할 수 없고, 500℃를 초과하게 되면 연화층의 깊이가 증대되어 절단하중이 333kN 이하로 하락된다. 한편, 고주파 열처리시의 온도가 400 ∼ 500℃의 범위로 유지되는 경우에는 표면으로부터 50㎛ 깊이까지 세멘타이트의 고른 구상화가 일어나서 FIP에 의한 파단시간 중앙값이 증가하게 된다.

본 발명의 피씨 강연선은 신선 공정 중간의 고주파 열처리를 통해서 강선 내부에 고르게 분산된 100 ∼ 500nm 크기의 Zr, W, Mg계 미세 석출물에 의한 효과적인 수소 트랩으로 수소지연 파괴 특성이 향상된다.

그리고 본 발명의 피씨 강연선은 상기 신선 단계에서 형성된 강선 내부의 미세 석물물에 의한 지연파괴 특성의 향상에 더하여 연선 공정 중에 행해진 고주파 처리를 통한 강선의 극표면부의 세멘타이트 구상화에 의해서 추가적인 지연파괴 특성의 향상과 더불어 333kN 이상의 높은 절단하중을 나타내는 효과가 있다.

도1은 본 발명에 따른 강연선의 일실시예 구조를 보인 단면도.
도2는 도1의 강연선을 이루고 있는 강선의 확대 단면도.
도3은 본 발명의 피씨 강연선 제조방법 중 신선공정 개략도.

본 발명의 수소지연파괴 피씨 강연선의 특징적인 기술적 구성과 구체적인 제조 공정은 다음의 실시예를 통해서 보다 명확하게 이해될 것이다.

먼저, wt%로 C 0.9 ∼ 1.2%, Mn 0.4 ∼ 0.7%, Si 1.0 ∼ 1,5%, Cr 0.4 ∼ 0.7%, P 0.01% 이하, S 0.01% 이하, Zr 0.005 ∼ 0.5%, W 0.005 ∼ 0.5%, Mg 0.005 ∼ 0.5%, 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어진 화학 조성에 대하여 용체화 처리한 후 항온변태 열처리를 행하여 선재 로드를 마련하였다.

이어서, 상기 로드를 도3에 도시된 바와 같은 신선 장치를 이용하여 신선 공정 중에 고주파 열처리 장치를 거치면서 신선선의 전 길이에 걸쳐 그 내부에 Zr, W, Mg 성분의 석출물이 형성되도록 하였다.

상기 고주파 열처리 장치를 통한 고주파 열처리 조건은 는 900 ∼ 1000℃ 범위에서 2 ∼ 3초간 유지하였다. 열처리 후의 신선선에 대하여 후속되는 마무리 신선을 행하여 최종 신선선을 얻고 이를 권취대에서 권취하였다,.

다음, 연선장치를 이용하여 상기 신선선을 연선하였는 바, 이때 한가닥의 신선선 주위로 6가닥의 신선선이 꼬이도록 하여 1x6 구조의 강연선을 꼬는 연선 공정 중에 400 ∼ 500℃의 온도로 고주파 처리하여 강선의 표면으로부터 50㎛ 깊이까지 구상화 시멘타이트가 형성되도록 하여 본 발명에 따른 실시예 시편(실시예 1,2)을 제작하였다.

상기 실시예 시편의 제작과 병행하여 신선 중 고주파 열처리 온도에 있어서 본 발명의 범위에 못미치는 온도(850℃)의 비교예 시편1과 본 발명의 범위를 상회하는 온도(1050℃)의 비교예 시편 1 및 연선 중의 고주파 온도에 있어서 본 발명의 범위를 벗어난 온도(550℃)의 비교예 시편 3도 아울러 제작하였다. 이들 비교예 시편들의 연선 구조는 상기 본 발명의 실시예 시편들과 동일하게 제작하였다.

이들 본 발명의 실시예 시편과 비교예 시편들에 대한 지연파괴특성과 석출물의 크기 및 절단하중(kN)에 대하여 시험을 하였는바, 그 시험결과는 아래의 표1과 과 같다.

한편, 상기 지연파괴 특성은 ISO15630-3의 방법에 따라 50℃ 온도의 20% NH₄SCN 용액 내에서 인장강도의 80% 하중을 가하여 파괴시간을 측정하는 FIP (Federation International de la Preconstrainte) 시험을 통해 실시하였으며, 시험결과는 최소 6회 이상의 시험을 파단시간 순서대로 나열하여 그 중앙값을 표기하였다.

구 분	신선중 고주파 온도 (℃)	연선중 고주파온도 (℃)	석출물 크기 (nm)	절단하중 (kN)	파단시간 중앙값 (시간)
비교예1	850	450	-	339	5.5
실시예1	930	420	153 ∼ 440	345	12.3
실시예2	950	450	173 ∼ 428	337	19.2
비교예2	950	550	163 ∼ 399	327	14.2
비교예3	1050	450	620 ∼ 1223	337	8.7

고주파 온도에 따른 특성변화 평가 결과

상기 표1에서와 같이, 신선중 고주파 온도 및 연선중 고주파 온도가 본 발명의 범위 이내인 실시예1,2 시편의 경우, 석출물의 크기가 100 ∼ 500nm 범위 내에 있으며, 절단하중은 337kN 이상으로 되고, 수소지연파괴 특성을 나타내는 파단시간 중앙값이 10시간 이상임을 알 수 있다.

반면에, 신선중 고주파 온도가 본 발명의 온도 범위에 못미치는 온도로 열처리된 비교예1의 경우에는 신선선의 내부에 Zr 등의 석출물이 형성되지 않았으며, 그 결과로 파단시간 중앙값이 5,5시간으로 매우 낮게 나타났다.

그리고, 연선중 고주파 온도에 있어서 본 발명의 범위보다 높은 온도인 550℃에서 열처리된 비교예2의 경우에는 연화층의 깊이가 커져서(50㎛ 이상으로) 절단하중값이 떨어졌음을 알 수 있다.

또한, 신선중 고주파 온도가 본 발명의 범위보다 높은 1050℃로 유지된 비교예3의 경우에는 석출물의 크기가 500nm 이상으로 커져서 상대적으로 석출물의 분포도가 낮아지게 되어 수소를 트랩할 수 있는 위치가 줄어들어 파단시간 중앙값이 8.7시간으로 지연파괴특성이 떨어짐을 알 수 있다.

Claims (4)

1. wt%로 C 0.9 ∼ 1.2%, Mn 0.4 ∼ 0.7%, Si 1.0 ∼ 1,5%, Cr 0.4 ∼ 0.7%, P 0.01% 이하, S 0.01% 이하, Zr 0.005 ∼ 0.5%, W 0.005 ∼ 0.5%, Mg 0.005 ∼ 0.5%, 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어진 선재를 신선하고, 그 신선선 7가닥을 하나의 심선 주위에 6가닥의 외층선이 꼬이도록 연선하여 이루어진 강연선으로서, 신선 중에 고주파 열처리에 의해 100 ∼ 500nm 크기의 Zr, W, Mg계 석출물이 신선선 전체에 분포되고, 연선 중의 고주파 처리에 의해 강선의 표면으로부터 50㎛ 깊이까지 구상화 시멘타이트가 형성됨을 특징으로 하는 수소지연파괴 저항성이 우수한 피씨 강연선.
2. 제1항에 있어서, 상기 피씨 강연선은 절단하중이 333kN 이상인 것을 특징으로 하는 수소지연파괴 저항성이 우수한 피씨 강연선.
3. 제1항에 있어서, 상기 피씨 강연선은 FIP 시험에서 파단에 이르는 중앙값이 10시간 이상인 것을 특징으로 하는 수소지연파괴 저항성이 우수한 피씨 강연선.
4. wt%로 C 0.9 ∼ 1.2%, Mn 0.4 ∼ 0.7%, Si 1.0 ∼ 1,5%, Cr 0.4 ∼ 0.7%, P 0.01% 이하, S 0.01% 이하, Zr 0.005 ∼ 0.5%, W 0.005 ∼ 0.5%, Mg 0.005 ∼ 0.5%, 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어진 화학조성을 용체화 처리하여 선재 로드를 마련하는 단계,
   상기 용체화 처리된 선재에 대한 냉간 신선의 중간에 고주파 열처리 장치를 이용하여 900 ∼ 1000℃의 온도로 2 ∼ 3초간 가열하여 용체화 처리된 Zr, W, Mg 성분이 신선선 전체에 100 ∼ 500nm 크기로 석출되도록 소둔을 실시한 후 나머지 신선 공정을 완료하는 단계,
   상기의 고주파 열처리 및 신선 공정을 거쳐 얻어진 신선선 7가닥을 하나의 심선 주위에 6가닥의 외층선이 꼬이도록 연선하는 공정 중에 400 ∼ 500℃의 온도로 고주파 처리하여 강선의 표면으로부터 50㎛ 깊이까지 구상화 시멘타이트가 형성되도록 하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 수소지연파괴 저항성이 우수한 피씨 강연선의 제조방법.

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